액화 이산화탄소의 하이드레이트 계면을 통한 평형과 물질전달 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Dissolution behavior of CO2 in water is a key factor in the ocean sequestration of CO2 in deep sea. Studies have been reported on the mass transfer of CO2 into water through interfacial hydrate layer in convective conditions. Coupled with convective flows, such studies provide limited information on the mass transfer resistance at the interface. In the present studey, liquid CO2 was injected into stagnant water to form disks at the center of a disk-like void in a deep sea condition(277.00K, 20.0 MPa) and the decreasing radius of disks were photographed with a digital camera. The radius change of the CO2 disk was compared with moving boundary numerical solutions for diffusive dissolutions. It was found that the dissolution is slower in hydrate forming conditions and that the initial dissolution is much faster than that for purely diffusive dissolutions with and without hydrate films. The interfacial concentration of water-rich phase was found to be equal to the solubility. Thus the mass transfer resistance through the hydrate film is negligible. Such finding was discussed in therms of equilibria, mass transfer coefficient and the initial fluid motion.

국문 초록 (Abstract)

심해에 이산화탄소를 처리할 때 가장 중요한 사항은 물 속에서 이산화탄소의 용해 거동을 이해하는 것이다. 따라서 바다에서와 같이 유체의 흐름이 있는 조건에서 하이드레이트(Hydrate) 필름의 계면을 통한 물속으로 이산화탄소의 물질 전달에 관한 연구는 이전에 많이 보고된 바 있다. 하지만 이렇게 유체의 흐름이 있는 조건에서는 계면에서 하이드레이트 필름에 의한 물질 전달 저항의 영향에 관해 제한된 정보 만을 제공할 수 밖에 없다. 따라서 본 연구에서는 액화 이산화탄소를 심해와 유사한 조건(277.00K, 20.0 MPa)에서 정지된 상태의 물 속에 주입하여 원반 모양의 평형셀에 이산화탄소 액적을 만들고, 디지털 카메라를 이용하여 이산화탄소 액적의 크기가 줄어드는 것을 일정 시간 간격으로 사진 촬영하여 분석하였다. 분석한 이산화탄소 액적의 크기 변화를 확산에 의한 용해에 따른 Moving Boundary Numerical Solution으로 계산한 결과와 비교하였다. 그 결과 이산화탄소의 용해 속도는 하이드레이트가 생성되는 영역에서 더 느린 것을 확인하였고 초기에 이산화탄소의 용해 속도는 하이드레이트가 생성되는 조건과 하이드레이트가 생성되지 않는 조건 모두에서 순수한 확산에 의한 용해보다 훨씬 빠르게 나타났다. 이것은 초기에 이산화탄소 액적이 형성될 때 수반되는 강한 유체의 움직임 때문으로 판단된다. 그리고 이산화탄소와 물 사이의 평형 관계에 의한 용해도 검토와 유효 확산 계수를 이용하여 하이드레이트 필름의 영향을 살펴본 결과 물과 이산화탄소의 계면에 하이드레이트가 생성될 때 하이드레이트 필름에 의한 물질 전달의 저항은 거의 무시할 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• 국문요약 ii
• CONTENTS iv
• LIST OF FIGURES vi
• LIST OF TABLES vii
• 1. 서 론 1
• 2. 배 경 4
• 2.1 물질전달 4
• 2.2 평형 7
• 2.3 액체의 확산계수 14
• 2.4 수치해석 17
• 3. 실험 장치 및 실험 방법 19
• 3.1 실험 장치 및 시료 19
• 3.2 실험방법 23
• 3.3 실험 결과 분석 24
• 4. 실험 결과 및 고찰 27
• 5. 결 론 37
• NOMENCLATURE 39
• REFERENCES 42